某型無人機全復材機翼的膠接合攏工藝研究

摘 要 隨著全復材機翼在無人機上的廣泛應用，對機翼制造工藝的系統研究也成為當務之急。本文以高亞音速無人機全復材機翼為基礎，通過生產測試，并從施工環境、工裝夾具、界面狀態、材料選型、固化工藝、膠層厚度等多個工藝維度對測試結果進行分析研究。研究結果表明，隨著膠接合攏工藝的優化，機翼性能得到了極大提升，不僅順利通過了3 g載荷靜力試驗，還完成了6 g載荷飛行驗證，該研究分別從理論和實踐層面為復材機翼等制件的膠接合攏提供了工藝指南。

關鍵詞 無人機；全復材機翼；膠接合攏；工藝優化；靜力試驗

Research on the Adhesive Bonding and Closing Process of Full

Composite Wing of Certain Type of Unmanned Aerial Vehicle

WANG Gaoqiang， ZHANG Xiaomu， CHEN Gang， XIA Yang， FANG Anshi， SHEN Haojie

（Nanjing Research Institute on Simulation Technique， Nanjing 210018）

ABSTRACT With the widespread application of full composite wings in unmanned aerial vehicles （UAV）， systematic research on the manufacturing process of wings has become an urgent matter. This paper is based on the full composite wing of a high subsonic UAV， the test results are analyzed and researched from multiple process dimensions such as construction environment， tooling and fixtures， interface status， material selection， curing process， and adhesive layer thickness control through production and test. The research results indicate that with the optimization of the adhesive bonding and closing process， the performance of the wing has been greatly improved， the wing not only passed the 3 g load static test successfully， but also completed the 6 g load flight verification， providing process guideline for bonding and closing of composite wings and even composite parts from both theoretical and practical level.

KEYWORDS UAV; full composite wing; adhesive bonding and closing; process optimization; static test

1 引言

近年來，隨著無人機在實戰模擬、戰略偵查、自動精確打擊等重大任務中扮演越來越重要的角色，無人機取得了迅速的發展。同時，由于任務需要，客戶對無人機性能的要求也越來越高。更快的飛行速度、更高的承載能力、更長的續航時間、更大的機動動作無一不推動無人機的結構設計復雜化、生產工藝精細化［1］。機翼作為無人機的主承力部件起著產生升力、承載氣動力的雙重作用，其發展方向吸引了眾多研究者［2］。在無人機輕量化、隱身化、高過載、大機動的發展趨勢下，機翼復材化逐漸成為近些年世界上多款無人機機翼的主流結構，如美國的RQ-4“全球鷹”、MQ-1“捕食者”、俄羅斯的“海雕-10”等無人機機翼中復合材料占據了很大結構比重甚至實現了全復材化。在無人機復材機翼的生產過程中，通常采用二次膠接的工藝方法，這也是各種連接方法的特點所決定的。傳統的復材連接技術，如螺栓連接、螺釘連接以及鉚釘連接等機械連接方法，是復材領域常見的連接技術［3］。但是，傳統的復材連接工藝會導致復合材料結構件的重量增加，這無疑不符合當下無人機輕量化的發展趨勢；同時，在進行機械連接前，需在復材制件表面制孔，由于碳纖維復合材料各向異性的特點，表面制孔易帶來應力集中等缺陷，且易在后期使用過程中出現損傷。相比之下，膠接是膠粘劑通過固化將復合材料連接并能夠實現一定強度的技術，所以理論上膠接比機械連接更加有效，一方面可以有效減重；另一方面可有效消除應力集中造成的不利影響，如可利用膠粘劑的韌性適當削減應力峰值［4］。所以，在無人機領域，膠接技術越發受到青睞。

本文研究的機翼由機翼蒙皮、矩形梁組件、翼肋等全復材制件構成，如圖1所示，采取二次膠接工藝合攏成型，其中，復合材料機翼中雙閉室矩形梁承擔最主要的載荷［5］。本文通過對不同工藝條件下的全復材機翼進行力學性能測試，并從機理上剖析工藝因素對機翼性能產生影響的原因，進而為復材機翼乃至復材制件的膠接合攏提供一套科學有效的工藝指南。

2 全復材機翼的膠接合攏

2.1 膠接合攏工藝的影響因素

2.1.1 施工環境

制件在膠接合攏過程中伴隨著結構膠的混配和施涂，而以樹脂為基體的結構膠對混配、施涂和固化的環境要求較高，不良的施工環境將會影響結構膠的成分、固化過程和膠接強度，進而影響到制件的膠接效果。另外，不同結構膠對施工環境的要求不同，意味著我們需要根據實際用膠提供施工環境。

2.1.2 工裝夾具

工裝夾具在制件膠接合攏中起到零件定位、型面保證、膠層厚度控制等關鍵作用，工裝夾具的齊套性和型面精度問題會直接影響粘接面的膠層均勻性、膠接強度和制件的型面精度。以無人機為例，工裝夾具方面的問題不僅影響到膠接合攏效果，嚴重的還會影響到無人機的飛行安全。

2.1.3 界面狀態

復合材料的膠接實質上是一種界面行為，待膠接表面的界面狀態直接影響到膠接效果，甚至會成為膠接成敗的關鍵。作為待膠接界面狀態的兩個主要指標，粗糙度和清潔度是我們在膠接合攏過程中需要重點考察的工藝因素。膠接前的表面處理即是通過打磨及表面清洗獲得符合膠接要求的粗糙度和清潔度，進而提高膠接強度。常見打磨措施有砂紙打磨、機械打磨等，表面清洗主要是通過有機溶劑除去復合材料成型時殘留在表面的脫模劑、以及探傷、機加等工序帶來的油污、耦合劑等［6］。

2.1.4 材料選型

采用二次膠接工藝進行制件的膠接合攏意味著需要選擇一款合適的結構膠。目前，市場上的工程膠粘劑種類眾多、性能各異，如環氧類、聚氨酯類、丙烯酸酯類、有機硅類等［7］。在復材領域，常用膠粘劑主要有環氧基結構膠、丙烯酸樹脂基結構膠、聚氨酯類結構膠等，不同種類結構膠在拉剪強度和拉剪模量等主要指標上差別較大，常用結構膠如表1所示。以無人機為例，實際選擇膠粘劑時，需考慮機身和機翼的結構形式、機翼的過載要求以及無人機的使用環境等因素，不合適的結構膠粘劑會直接帶來產品膠接不牢和飛行安全問題。

2.1.5 膠層厚度

在產品的結構設計過程中，設計者往往根據結構需要及理想膠層厚度預留了膠層間隙。在無人機領域，考慮到結構需要和實際操作難度，膠層間隙常常預設為0.5 mm。然而，由于復材制件的厚度偏差及工裝模具的精度，實際膠層間隙往往在設計值左右浮動。

2.1.6 固化工藝

隨著膠接合攏過程中每一道施膠工序的結束，膠接制件需在工裝夾具的固定下經過一段時間的靜置，其實質則是膠黏劑基體的固化過程，涉及到固化溫濕度和在模時間等重要參數。因此，需要根據所選膠粘劑類型設計合適的固化工藝。

2.2 機翼生產與測試

2.2.1 機翼膠接合攏

（1）施工環境：#1機翼生產時節為冬季，#2機翼生產時節為夏季，兩件機翼施工均處在同一個半封閉房間內。

（2）工裝夾具：#1機翼生產時，矩形梁蒙皮與加強長桁膠接、機翼上蒙皮與矩形梁組件膠接均通過重物施壓；工字梁膠接及矩形梁上下蒙皮合攏采用卡板施壓。#2機翼生產時，在#1機翼工裝的基礎上提升了重物擺放密度和均勻性、增加了卡板數量，同時，在矩形梁組件與機翼上蒙皮膠接時，通過機翼下蒙皮“假件”輔助施壓。

（3）界面狀態：#1機翼生產時，待膠接的復材板件在正式膠接合攏前一周打磨清洗。#2機翼生產時，待膠接的復材板件在正式膠接合攏前8h內進行打磨，并在正式施膠前清洗風干。

（4）材料選型：#1機翼生產時，選用了拉剪強度高、流淌性好的高強度結構膠；#2機翼生產時，選用了拉剪強度高的膏狀高強度結構膠。

（5）膠層厚度：在#1機翼的粘接合攏過程中，默認制件之間的膠層間隙為理論值，直接對待膠接件進行施膠粘接。在#2機翼各制件膠接合攏前，首先對外形容差超差、翹曲、膠接面不光潔等不符合膠接要求的零件，進行了修整或更換；其次，對各膠接件均進行了預裝配和膠層厚度的檢測，對于膠層間隙較小的區域進行適量打磨處理、對于膠層間隙較大的區域通過補貼碳纖片來填補間隙，從而保證膠層厚度均勻且滿足理想膠層范圍。

（6）固化工藝：#1機翼在各膠接工序完成施膠后，通過相應工裝夾具固定并于室溫條件下固化，待結構膠表干后拆除夾具。#2機翼在各膠接工序完成施膠后，組合件在工裝夾具的固定下固化36 h后脫模。

2.2.2 機翼力學性能測試

機翼合攏完成后，分別對#1、#2機翼進行了靜力試驗，機翼受力情況采用帆布帶+液壓作動筒的方式模擬實現。靜力試驗加載系統由液壓加載裝置（液壓作動筒）、杠桿加載系統、測力系統等部分組成。通過液壓作動器、帆布帶杠桿系統分配載荷，給小比例構件施加拉力，載荷大小由控制系統讀出。機翼靜力試驗示意如圖2所示，靜力試驗數據如表2～表6所示。

上述試驗數據及過程現象表明，#1機翼未達到3 g靜力試驗的指標要求，而且在試驗過程中多次出現異響，疑似膠層在受力情況下出現脫粘。#2機翼不僅達到了3 g靜力試驗的指標要求，而且試驗過程中沒有出現明顯異響，同時還順利通過了后期的6 g載荷飛行驗證。

2.2.3 機翼的拆解分析

為深入探究不同工藝因素對機翼膠接合攏的影響，本次研究對兩件機翼進行了實物拆解，以便直觀地對膠接合攏狀態進行對比分析。

3 機理分析

（1）環境溫濕度會影響到結構膠的固化過程。溫度越低，固化劑的反應速率就越低，導致固化時間拉長。更有甚者，過低的溫度會使基體的分子鏈運動困難，膠層的交聯密度過低，導致固化反應無法完成。若固化溫度過高，容易造成過早干燥、膠液流失或膠層脆化，導致膠接強度下降。本文所研究的兩件機翼選用兩款不同的結構膠，兩款膠的配制及施工環境溫度為20 ℃～30 ℃、相對濕度45 %～65 %。然而，#1機翼膠接合攏過程中，環境溫度較低（約0 ℃），無法滿足結構膠的配制、施工和固化環境要求，這極大影響了1#機翼各膠接工序所能實現的拉剪強度。當然，由于兩件機翼均處于自然不封閉環境，導致難以實現恒濕環境，這對兩件機翼的試驗表現也有影響。因為當濕度較高時，空氣中的水分易進入結構膠中，進而降低樹脂粘度和固化速率，前者導致膠水流失、后者導致固化后的結構膠中存在較多小分子化合物和水分，最終帶來膠接缺陷、影響到結構膠的粘接強度［8-9］。

（2）工裝夾具會影響到膠層質量和均勻性。復材制件膠接合攏后需在模固化一段時間才能脫離夾具，在此期間，工裝夾具需對膠層施加一定的壓力，其有以下幾個方面的作用：①促進膠粘劑流動、滲透和潤濕； ②促進膠層中氣體、水分等低分子物的排出，避免產生空洞與氣孔；③有利于膠層厚度均勻；④有利于待膠接制件表面的緊密接觸和準確定位［10］。本文中，#1機翼矩形梁中段的合攏卡板缺失，無法保證對矩形梁膠層進行均勻有效地壓實，進而影響到膠層質量和均勻性。相反，#2機翼不僅提升了重物擺放密度、增加了矩形梁中段合攏卡板，還在矩形梁組件與機翼蒙皮膠接時借助蒙皮假件輔助施壓，提高了膠層受壓均勻性，兩件機翼膠層質量如圖3所示。

（3）界面狀態會影響到結構膠的膠接效果。膠黏劑與復合材料膠接實質上是一種界面行為，表面處理優劣直接決定界面的物理、化學狀態，所以表面處理的狀態影響著最終的膠接效果［11-12］。目前，復材領域最常用的表面處理方法為砂紙打磨后再通過有機試劑清洗。通過打磨可形成不規則的表面溝壑，使得待膠接表面粗糙度增加、應變能釋放率增加，進而獲得良好的表面活性，由此帶來的膠黏劑與復合材料之間親和力的提升使得膠接失效模式從黏附破壞轉變為混合破壞或者內聚破壞［13］，如圖4所示。本文中，#1機翼的待膠接件均是在正式膠接前1周左右打磨清洗，期間沒有對打磨區采取防護措施，且表面打磨不充分不均勻，導致制件大面積粘接區處于“弱粘接”狀態。

（4）膠黏劑選型會影響到膠層厚度和均勻性。在膠接面多為曲面的膠接條件下，膏狀膠的膠層厚度更易保持。相反，流淌性較好的結構膠更易在受壓時流失，從而無法維持理想的膠層厚度。本文中，#1機翼所選膠是流淌性較好的結構膠，在粘接面積較小的區域很容易發生流淌，導致膠層不均勻甚至缺失，進而影響到粘接強度。

（5）膠層厚度會影響到膠黏劑的拉剪強度。本文按照GB/T 7124-2008標準對某型結構膠的拉剪強度隨膠層厚度變化的關系進行了試驗研究。試驗表明，膠層太薄和太厚均會影響到膠接強度，如圖5所示。一方面，過薄的膠層可能會造成膠接過程中局部缺膠，且會使膠粘劑的應力集中增大，導致膠接性能的降低；另一方面，過厚的膠層很容易造成膠層脫粘和氣孔過多等問題，同樣會降低膠接性能［14］。#1機翼沒有進行膠層間隙檢測和處理而直接膠接合攏，導致膠層厚度無法控制，進而無法保證膠粘劑的膠接強度。

（6）固化工藝會影響粘接效果。每款膠粘劑都有其特定的固化工藝，所謂固化，是指膠粘劑單體分子在一定環境和壓力條件下發生交聯反應，經過一定反應時間，在待膠接零件之間形成致密、堅硬的膠層，進而使零件一界面一零件形成統一的具有一定力學性能的整體［15］。本文按照GB/T 7124-2008標準對某型結構膠的拉剪強度隨固化工藝變化的關系進行了試驗研究。試驗表明，無論是室溫固化還是加熱固化，在模固化時間均直接影響到膠粘劑拉剪強度，如圖6所示。本文中，#1機翼在結構膠表干后脫模，導致在模固化時間不足，進而使膠粘劑固化反應不完全、固化度降低，最終不僅導致粘接強度降低，而且使得結構膠耐久性、耐介質性能也會下降。

4 結語

不同膠接合攏工藝下的全復材機翼性能表現為復材機翼性能的進一步提升提供可能，本文對相同結構、不同性能的機翼膠接合攏工藝機理進行了分析和探索，得出如下結論：

（1）施工環境、工裝夾具、界面狀態、材料選型、膠層厚度、固化工藝等工藝因素均會給膠接后的全復材機翼性能帶來很大影響。試驗表明，合適的溫濕度、齊備有效的工裝夾具、良好的界面狀態、正確的膠黏劑選型、理想的膠層厚度、充分的固化時間等使得全復材機翼性能實現了從3 g靜力試驗不合格到順利通過6 g載荷飛行驗證的飛躍。

（2）類似全復材機翼的其它復材膠接制件的性能也受綜合因素影響，具有較大彈性空間。通過對多工藝要素的進一步優化可持續減少設計性能的過程損失，進而提升制件的可實現性能。

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